Level 2
Aufgabe mit Lösung Drei-Finger-Regel anwenden: 6 Übungen, die du kennen solltest
- Proton im Magnetfeld:
Ein Proton bewegt sich in ein Magnetfeld hinein. Wird es nach oben oder nach unten abgelenkt?
Unbekannte Richtung der Lorentzkraft auf ein Proton im Magnetfeld. - Neutron im Magnetfeld:
Ein Neutron bewegt sich in ein Magnetfeld hinein. Wohin wird das Neutron abgelenkt?
Unbekannte Richtung der Lorentzkraft auf ein Neutron. - Drahtbügel im Magnetfeld:
Du bewegst eine Metallstange nach rechts. In welche Richtung wirkt Lorentzkraft auf die Elektronen in der Stange?
Unbekannte Richtung der Lorentzkraft auf Elektronen im Drahtbügel. - Stromdurchflossene Leiterschaukel im Magnetfeld:
Du packst eine Leiterschaukel in einen Hufeisenmagnet und lässt durch sie einen Elektronenstrom fließen. Wird die Leiterschaukel in den Hufeisenmagnet hinein oder aus dem Hufeisenmagnet heraus verdrängt?
Unbekannte Richtung der Lorentzkraft auf eine stromdurchflossene Leiterschaukel. - Leiterschleife im Magnetfeld:
Du hast eine Leiterschleife, die in die obere Hälfte (dort sind 2 Elektronen eingezeichnet) und die untere Hälfte (dort sind auch 2 Elektronen) unterteilt ist. Du drehst nun diese Leiterschleife so, dass der obere Teil der Leiterschleife in den Bildschirm hinein bewegt wird, während der untere Teil der Schleife dementsprechend aus dem Bildschirm hinaus bewegt wird. Das Magnetfeld verläuft vom Nordpol zum Südpol, also nach unten.
Bestimme für jedes eingezeichnete Elektron die Richtung der Lorentzkraft. Verursacht denn die Drehung einen elektrischen Strom?
Leiterschleife im Magnetfeld - Pendelring im Magnetfeld:
Du hast vor, einen metallischen Ring - in dem sich frei bewegliche Elektronen befinden - in ein Magnetfeld pendeln zu lassen. Weise jedem eingezeichneten Elektron eine Lorentzkraft-Richtung hinzu!
Ein metallischer Ring, der in ein Magnetfeld hineinpendelt.
Lösungstipps
Benutze die Erklärung der Drei-Finger-Regel.
Lösungen
Lösung für (a)
Ein Proton bewegt sich nach rechts (Geschwindigkeit v) ins Magnetfeld hinein (B-Feld wirkt in den Bildschirm hinein). Das Proton wird durch Lorentzkraft nach oben abgelenkt.
Lösung für (b)
Da das Neutron ein neutrales Teilchen ist, trägt es keine elektrische Ladung (q = 0). Damit wirkt keine Lorentzkraft auf das Neutron und es fliegt einfach gerade aus - ganz egal wie komisch das Magnetfeld ist, durch welches das Neutron fliegt.
Lösung für (c)
Du verschiebst die Metallstange nach rechts. Die Metallstange befindet sich in einem Magnetfeld, welches in den Bildschirm hineinzeigt, d.h. seine Richtung zeigt genau senkrecht zur Richtung der Verschiebung der Stange.
In der Metallstange befinden sich freie Elektronen, die - wie Du weißt - durch eine magnetische Kraft abgelenkt werden, wenn sie bewegt werden. Du bewegst die Metallstange nach rechts, somit bewegst Du auch die dort sitzenden Elektronen nach rechts. Deine Quest ist es herauszufinden, ob diese Elektronen in der Matallstange nach oben oder nach unten entlang der Metallstange abgelenkt werden?
Wenn Du Richtung der Abelnkung herausfinden willst, musst Du die Drei-Finger-Regel anwenden. In diesem Fall benutzt Du die linke Hand, weil es sich um negativ geladene Elektronen handelt. Richte Deinen Daumen (Ursache) in Richtung der Verschiebung der Metallstange. Strecke den Zeigefinger in den Bildschirm hinein, also in Richtung des Magnetfeldes (Wirkung). Wenn Du nur noch den Mittelfinger senkrecht zu den anderen Fingern ausstreckst, wird er nach unten zeigen. Also weißt Du - Elektronen werden nach unten entlang der Metallstange abgelenkt.
Da die Metallstange mit den Leitern und einer Lampe verbunden ist, bewegen sich die Elektronen durch die Lampe und bringen sie zum Leuchten. Natürlich nur solange Du die Stange bewegst.
Lösung für (d)
Sobald elektrischer Strom (hier: Elektronen) durch die Leiterschaukel fließt, wird die Leiterschaukel in den Hufeisenmagnet hinein ausgelenkt.
Lösung für (e)
Bei diesem Problem verwendest Du die linke Hand, da es sich um bewegte Elektronen handelt.
Betrachte zuerst die obere Hälfte der Leiterschleife. Sie wird ja - laut dem Bild - in den Bildschirm hinein gedreht. Das heißt: ein Elektron, welches im oberen Teil der Leiterschleife sitzt, wird ebenfalls in den Bildschirm hinein bewegt, weshalb Dein Daumen in den Bildschirm hinein reichen muss.
Das Magnetfeld ist nach unten gerichtet, also muss Dein Zeigefinger der linken Hand nach unten zeigen.
Die Lorentzkraft auf die obere Hälfte der Leiterschleife wirkt also - nach rechts!
Während die obere Hälfte der Leiterschleife in den Bildschirm hinein gedreht wird, wird die untere Hälfte deshalb aus dem Bildschirm hinaus gedreht. Damit werden untere 2 Elektronen ebenfalls aus dem Bildschirm hinaus bewegt. Das Magnetfeld zeigt immernoch nach unten.
Daumen hinaus, Zeigefinger nach unten - ergibt eine Lorentzkraft nach links!
Die Lorentzkraft wirkt sowohl bei der unteren als auch bei der oberen Hälfte entlang des Leiters (außer bei den beiden seitlichen Elektronen, die für den Stromfluss jedoch keine Rolle spielen, weil sie ja den Strom nicht behindern).
Durch die oben behandelte Drehung der Leiterschleife entsteht also ein elektrischer Strom (Elektronenstrom) im Uhrzeigersinn.
Lösung für (f)
Beim Hineinpendeln ist nur eine Hälfte des metallischen Rings im Magnetfeld, d.h. nur das Elektron, das im Magnetfeld ist, erfährt eine Lorentzkraft, die kurzzeitig einen Strom im Uhrzeigersinn verursacht. Analog beim Hinauspendeln. In der Mitte dagegen - heben sich beide Ströme auf. Folglich fließt kein Strom, wenn der Ring vollständig im Magnetfeld ist.